Photonik

Licht in der Medizin

Je besser der Arzt sehen und krankes Gewebe erkennen kann, desto besser gelingen chirurgische Eingriffe. Das ist nur ein Aspekt, warum das Bundesforschungsministerium Projekte der Biophotonik fördert. Hier arbeiten Wissenschaft und Industrie gemeinsam an optischen Lösungen für biologische und medizinische Probleme.

Integrierter Operationssaal der Firma Storz

Integrierter Operationssaal der Zukunft

Foto: Karl Storz GmbH & Co. KG

Der Operationssaal ist Hightech, schon heute. Seine Zukunft besteht in einer immer besseren Integration der verschiedenen Gerätschaften. Bestimmt wird er durch zahlreiche Monitore. Über sie steuern Ärzte die verschiedenen Geräte, aber sie sehen auch ins Innere des Körpers. Sehen ist Licht und somit Photonik.

Licht ist in der Medizin seit vielen Jahren ein wichtiges Hilfsmittel. Die Augenmedizin verwendete stark gebündeltes Licht bereits vor dem Laser zum Anschweißen der Netzhaut.

Die Einsatzgebiete moderner Laser sind inzwischen zahlreich. Sehr viel genauer als mit jedem Skalpell lässt sich damit schneiden. Laserlicht kann Gewebe verschweißen. So sind Operationen möglich, die den Patienten weniger belasten. Beim Entfernen von Steinen im Körper setzt man heute stark auf den Laser. Es hat sich aber beim Schneiden und Abtragen von Weichgewebe gezeigt, dass sich vergleichsweise Erfolge mit anderen Techniken – mit Strom oder Schallwellen – preisgünstiger erzielen lassen.

Laser haben allerdings ihren festen Platz in der Augenheilkunde und Dermatologie. Während das "Augenlasern" bei Kurzsichtigkeit bereits weit verbreitet ist, kann der Laser inzwischen durch gezielte Mikroschnitte in der Augenlinse auch die Altersweitsichtigkeit heilen. So wird die lästige Lesebrille überflüssig. 

Kleinstmögliche Eingriffe

Zu besonderen Fortschritten hat die Photonik bei so genannten minimal invasiven Operationen geführt. Durch kleine Schnitte im Gewebe werden winzige chirurgische Instrumente in den Körper eingeführt.

Der Vorteil liegt auf der Hand: Die Wunden sind so klein, dass sie oftmals nicht einmal genäht werden müssen. Klammern, die oft schon nach wenigen Tagen entfernt werden, reichen völlig aus. Damit verringern sich die Schmerzen nach der Operation, Komplikationen werden unwahrscheinlicher und die Verweildauer im Krankenhaus verringert sich auf meist nur zwei Tage. Klaus M. Irion, leitender Forscher der Karl Storz GmbH & Co. KG in Tuttlingen, hält es sogar für möglich, Patienten schon kurz nach dem Eingriff zu entlassen. Die Überwachung könnten geeignete elektronische Geräte übernehmen, die Komplikationen sofort über Internet oder SMS ans Krankenhaus melden.

Interview mit Dr. Klaus Irion, Leiter Technologie und Forschung, Karl Storz GmbH

Die Endoskopie, also der Blick in den Körper mit geeigneten Instrumenten, gibt es schon seit vielen Jahren. Die stetige Verbesserung von Lichtquellen, der Lichtleitung und der Kamerasysteme sind dabei entscheidende Faktoren, um immer schonender, schneller und genauer zu operieren. Es gibt in der Zwischenzeit eine große Zahl ganz unterschiedlicher Endoskope für fast alle medizinischen Fachrichtungen. Musste der Arzt früher durch ein Okular am Endoskop schauen, so übertragen heute moderne Geräte das endoskopische Bild auf einen Monitor.

Ärzte bei endoskopischer Operation

Endoskope erlauben schonende Operationen

Foto: Karl Storz GmbH & Co. KG

Die Technik ist so weit fortgeschritten, dass Kameras an der Spitze eines nur 2,7 Millimeter durchmessenden Endoskops hochauflösende Aufnahmen an einen Monitor senden. Inzwischen ist es sogar möglich, dreidimensionale Aufnahmen zu liefern, mit denen der Chirurg die Bewegung seiner Instrumente in der Tiefe exakt kontrollieren kann.

Licht in den Körper bringen

Nicht einfach ist es, Licht an die Stelle im Körper zu bringen, wo es benötigt wird. Anfangs gab es Glühbirnchen am Ende des Endoskops mit dem großen Nachteil, dass diese Lichtquellen Wärme abgaben, die sich negativ auf den Operationsprozess auswirkte. Daher wird seit vielen Jahren Licht außerhalb des Körpers erzeugt und durch ein Bündel winziger Glasfasern in den Körper geleitet. Neu sind jetzt LEDs als Lichtquellen. Sie haben den großen Vorteil, dass sie keine Wärme abgeben und sich die Lichtintensität und Farbe steuern lässt.

Waren bislang mehrere kleine Schnitte notwendig, um die verschiedenen Instrumente in den Körper einzuführen, so streben Medizingerätehersteller jetzt an, nur noch einen Schnitt vornehmen zu müssen, durch den dann alle Instrumente eingeführt werden. Damit entstünde nur noch eine Narbe, die man bei Operationen sogar dort platzieren könnte, wo jeder Mensch ohnehin schon eine Narbe hat: am Bauchnabel.

Instrument der Karl Storz GmbH

Anubis: integrierte Werkzeuge

Foto: Karl Storz GmbH & Co. KG

Operation ohne Narbe

Aber es geht sogar noch einen Schnitt weiter: Die Instrumente können durch natürliche Körperöffnungen, also etwa durch den Mund eingeführt werden. Diese so genannte NOTES-Technik (Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery, deutsch: Chirurgie via natürlicher Körperöffnungen) benötigt ganz besondere Instrumente, so etwa das Anubis-Endoskop. Es wird beispielsweise durch den Mund eingeführt in den Magen. Ein kleiner Schnitt im weitgehend schmerzunempfindlichen Magen ermöglicht dann den Zugang zum Bauchraum, wo dann etwa die Gallenblase entfernt werden kann.

Das Instrument hat einen Durchmesser von 16 Millimeter. Erst an seinem Einsatzort öffnet die "Schlange" ihr Maul und lässt damit die Instrumente ihre Arbeit tun.

Einblick in die Zelle

Besonders aussichtsreiche Entwicklungen zum Kampf gegen schwere Erkrankungen verspricht man sich aus dem Blick in die Zelle. Die inzwischen erfolgreich abgeschlossene Innovationsallianz Molekulare Bildgebung auf Initiative des Bundesforschungsministeriums hat dafür Grundlagen geschaffen, die jetzt in Projekten des Programms "Ultrasensitiver Nachweis und Manipulation von Zellen beziehungsweise Geweben und ihren molekularen Bestandteilen" weitergeführt werden.

Ziel ist der Nachweis biologischer Prozesse auf molekularer oder zellulärer Ebene. Sie bieten damit die Chance, Erkrankungen im Frühstadium zu erkennen, besser zu diagnostizieren und gezielter zu therapieren als derzeitige Verfahren. Beispielsweise entwickelten Forscher eine Methode für die Früherkennung von Krebs. Krebszellen reagieren anders als normales Gewebe, wenn der Patient ein besonderes Floreszenzmittel eingenommen hat. Bestrahlt man sie gezielt mit Licht einer speziellen Farbe, so leuchten sie in besonderer Weise.

Forschungsbilder aus der Abteilung NanoBiophotonik von Prof. Hell.

Blick in die Zelle mit STED-Mikrosop

Foto: Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

Gearbeitet wird inzwischen an einem ganz besonderen Mikroskop - dem STED-Mikroskop. Es soll einen Einblick direkt in die Zelle gestatten. Bisher scheiterte dies daran, dass Lichtmikroskope nach der von Ernst Abbe aus dem Jahr 1873 formulierten Theorie keine kleineren Strukturen scharf sehen können als 200 Nanometer. Dies entspricht einem fünftausendstel Millimeter und ist zu wenig für einen Einblick in die Zelle.

Dem Göttinger Max-Planck-Forscher Stefan Hell ist es jedoch gelungen, diese Grenze zu überwinden. Mit seinem Fluoreszenzmikroskop ist die Auflösung inzwischen so hoch, dass sich einzelne Moleküle sichtbar machen lassen. Inzwischen gelang es ihm, die Bewegung in lebenden Zellen sichtbar zu machen. Ungeahnte Chancen für die Aufklärung von Krankheiten - und alles durch Licht.

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